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(上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090)

0 引言

分布式能源是一種臨近用戶側實現(xiàn)能源供應的先進供能系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是其主要應用形式，具有能源綜合利用效率高、經(jīng)濟效益好、清潔環(huán)保、安全可靠和靈活智能等優(yōu)點[1-3]。在以天然氣為燃料的小型分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，天然氣燃燒釋放出高溫燃氣通過燃氣輪機進行發(fā)電，進而產(chǎn)生中低溫余熱進入余熱設備制冷制熱，最終將系統(tǒng)難以轉換的熱量排到環(huán)境中[4]。但目前冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)了設備利用率不高、低負荷運行等問題，導致系統(tǒng)綜合利用效率不高等[5]，其主要原因是用戶負荷不僅每天逐時有波動，而且不同季節(jié)用能也不相同。

陳修文[6]等采用了自然水分層蓄能設備來平衡峰谷負荷變化，進而提高了系統(tǒng)全年熱經(jīng)濟性。Aowabin Rahman[7]等由于儲能水箱其低成本和高熱容量，提出了一個帶有兩個熱交換器的加壓水箱，進而使分布式供能系統(tǒng)提高了整體效率和操作靈活性能等。Kein[8]等采用蓄電池蓄電調(diào)節(jié)電負荷,提出了一種削減峰值的策略，提高電力系統(tǒng)性能和可靠性的電網(wǎng)，同時提高了效率和降低了用戶的電費。馮志兵[9]和杜玉吉[10]等利用可調(diào)回熱燃氣輪機通過調(diào)節(jié)回熱器改變了排到下游的余熱，進而來調(diào)節(jié)用戶冷/熱負荷變化。鄭莆燕[11]等利用蓄冷蓄熱水箱和可調(diào)回熱燃氣輪機相結合提出了兩級調(diào)峰方法，并構建了兩級調(diào)峰系統(tǒng)，初步研究結果表明：兩級調(diào)峰冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能夠很好的解決用戶短時間和跨季節(jié)長時間變負荷調(diào)峰問題，與只有水箱調(diào)節(jié)的系統(tǒng)相比，燃氣輪機無閑置均滿負荷發(fā)電，提高了設備的利用率和發(fā)電效率，并且系統(tǒng)的節(jié)能效果非常明顯。目前關于可調(diào)回熱燃氣輪機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)從兩級調(diào)峰的角度分析的文獻很少，基于熱力學第二定律來研究冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)兩級調(diào)峰不同方案的熱經(jīng)濟性以及其內(nèi)部的能耗分布特征尚未有文獻詳細說明。

本文利用兩級調(diào)峰方法，構建了下游用戶側蓄冷蓄熱水箱和上游供能側可調(diào)回熱燃氣輪機的兩級調(diào)峰系統(tǒng)，并計算出兩級調(diào)峰方案。把該系統(tǒng)劃分為三個層級，采用分析方法建立平衡方程并計算各個層級全年的指標，對比分析各個層級中不同方案的熱經(jīng)濟性及損分布特性等。

1 兩級調(diào)峰冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

如圖1所示，該系統(tǒng)把天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣通過透平進行發(fā)電，產(chǎn)生高品質的電能，進而排出中溫燃氣，一部分進入回熱器與壓縮空氣熱交換，提高進入燃燒室壓縮空氣的溫度，從源頭上達到節(jié)能減排的目的，再與未經(jīng)過回熱器熱交換的燃氣匯合，然后燃氣輪機排出的煙氣流經(jīng)煙氣型雙效溴化鋰制冷機制冷/熱和煙水換熱器制生活熱水利用中低溫余熱，最終將煙氣排放到環(huán)境中。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)下游用戶側利用蓄熱蓄冷水箱來存儲冷/熱水和生活熱水，通過調(diào)節(jié)水箱來改變對用戶的供能量，來應對用戶每天逐時的負荷變化[12]，實現(xiàn)了對用戶側的穩(wěn)定供能，起到用戶側儲能調(diào)峰的作用，這為第一級調(diào)峰。水箱能調(diào)節(jié)逐時日負荷變化，由于存儲時間有限，故是不能調(diào)節(jié)跨季節(jié)長時間負荷變化的。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)上游供能側通過調(diào)節(jié)回熱燃氣輪機回熱調(diào)節(jié)閥X值，改變了流經(jīng)回熱器燃氣的比例，從而調(diào)節(jié)排到下游余熱設備煙氣型雙效溴冷機和煙水換熱器的余熱熱量，來改變上游供能設備對下游用戶的供能量，來應對用戶全年跨季節(jié)長時間變負荷，起到上游供能側調(diào)峰作用，這為第二級調(diào)峰，回熱燃氣輪機能調(diào)節(jié)長時間季節(jié)性負荷變化，有響應速度慢，故不適用于日負荷變化逐時調(diào)節(jié)?，F(xiàn)將兩者結合同時調(diào)節(jié)用戶逐時日負荷變化和季節(jié)性負荷變化。

2 兩級調(diào)峰冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案

2.1 用戶負荷

本文以農(nóng)村城鎮(zhèn)化過程中的北方某新型居民區(qū)為研究對象，對其用能進行調(diào)研可得該社區(qū)居民夏季、冬季和過渡季三個典型日的冷熱負荷變化如圖2所示，三個季節(jié)的日期數(shù)分別為96天、110天和159天[13]。

采用蓄冷蓄熱水箱調(diào)節(jié)日負荷變化后，用戶在不同季節(jié)典型工作日利用的上游余熱熱量仍有不同，如表1所示。兩級調(diào)峰系統(tǒng)利用可調(diào)回熱燃氣輪機通過改變回熱器關閉度X來調(diào)節(jié)排到下游的余熱熱量，滿足不同季節(jié)典型工作日所需不同余熱的情況。

表1用戶在不同季節(jié)典型工作日所需的時均余熱熱量

季節(jié)夏季冬季過渡季余熱熱量/kW2 370.312 237.781 370.10

2.2 可調(diào)回熱的燃氣輪機

根據(jù)文獻[14]中提供可調(diào)回熱的BowmanTG80微型燃氣輪機，在ISO工況下，壓比為4.3，輸出功率為80 kW，空氣流量為0.838 4 kg/s，以及燃氣輪機發(fā)電效率ηg和排煙溫度T4b隨回熱器關閉度X的變化，可得改燃氣輪機排煙余熱Qw,x隨X的變化，如表2所示。

表2可調(diào)回熱燃氣輪機隨回熱器關閉度變工況的參數(shù)

XT4b/℃ηg/[%]Qw,x/kW027824.28242.970.235221.59285.240.442619.64322.490.648417.61369.450.854715.80421.39161514.10482.45

2.3 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)峰方案

在上述冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，采用BowmanTG80微型燃氣輪機作為供能設備，并且每臺燃氣輪機回熱器關閉度一致(即X值相等)，煙氣型雙效溴化鋰制冷機制冷系數(shù)ηcop和制熱系數(shù)ηh分別為1.3和0.92，煙水型換熱器的換熱效率ηhw為0.95，假設這3個參數(shù)不隨下游用戶側負荷變化和上游供能側余熱變化而變化，并忽略下游用戶側蓄熱蓄冷水箱的熱量損失。根據(jù)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)上下游能量供需關系得兩級調(diào)峰方案，如表3。

表3系統(tǒng)調(diào)峰方案

方案季節(jié)臺套數(shù)/臺XX—燃氣輪機效率/[%]發(fā)電功率/kW燃燒室口溫度/℃溴冷機進口溫度/℃換熱器進口溫度/℃夏季60.93214.67480218.3592.1323.4方案1冬季60.8590.62115.29480246.1567.3281.9過渡季60.26920.92480453.6377.5377.2夏季70.73716.37560290.7527.0292.2方案2冬季70.6640.44917.03560315.7504.1255.7過渡季70.12622.61560512.5324.7324.1夏季80.57017.90640345.9475.8267.6方案3冬季80.5000.31118.62640368.2454.9235.4過渡季80.02523.99640554.2287.2286.7

(1)

式中Xs、Xw、Xts——兩級調(diào)峰方案中夏季、冬季和過度季的回熱器關閉度。

3 火用方法分析

3.1 火用值計算與火用分析指標

在某個確定的環(huán)境條件下，任何形式的能量中理論上能夠轉化為有用功的那部分能量稱為[15]。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析計算涉及四種[16-18]，其計算依據(jù)和公式如表4所示。

表4 火用值計算

機械和電焓化學依據(jù)高品質能,能夠全部轉化為有效能,即全部為。穩(wěn)定工質從任一給定狀態(tài)流經(jīng)開口系統(tǒng)以可逆的方式轉換到環(huán)境狀態(tài),只與環(huán)境交換熱量時做出的最大有用功。燃料包括燃料顯熱、化學和擴散。擴散實際過程中難以被采用,通常不予考慮。顯熱由焓計算得到。公式E=WE=Pee=h-h0-T0(s-s0)E=e·Meu,f=HL(T0)Eu,f=eu,f·m

注：E為，kW；W為功率，kW；Pe為發(fā)電功率，kW；e為比，kJ/kg；h和h0為單位質量穩(wěn)流工質的焓和環(huán)境的焓，kJ/kg；s和s0單位質量穩(wěn)流工質的熵和環(huán)境的熵 ；M為穩(wěn)流工質的質量流量，kg/s；HL(T0)為燃料低位發(fā)熱值，kJ/kg；Eu,f為燃料的化學，kW；m為燃料的質量流量，kg/s。環(huán)境基準為T0=273.15 KP0=0.101 3 MPa。

(2)

3.2 火用分析

表5系統(tǒng)全年輸入火用和輸出火用

方案方案1方案2方案3輸入總/MW24 67026 12627 604輸出電/MW4 2044 9055 606輸出冷/熱水/MW873873873輸出生活熱水/MW1 1971 1971 197

在兩級調(diào)峰方案中，隨著回熱器關閉度的逐漸減小，使排到下游余熱溫度降低。由于進入煙氣型雙效溴冷機和煙水換熱器的煙氣溫度逐漸減小，縮小了與制冷制熱以及生活熱水之間的溫差，使相應設備的不可逆損失減小等，故煙氣型雙效溴冷機和煙水換熱器的損系數(shù)均降低。

在兩級調(diào)峰方案中，隨著回熱器關閉度的減小，消耗天然氣的量減少。由于燃氣輪機發(fā)電效率增加，單位燃料相應的空氣量增加，系統(tǒng)輸入單位時，壓氣機不可逆損失增大，所以壓氣機損系數(shù)增大。由于進入透平燃氣溫度提高和燃氣流量增大，系統(tǒng)輸入單位時，透平不可逆損失增大，故透平損系數(shù)增大。進入回熱器的冷壓縮空氣溫度和回熱燃氣溫度幾乎不變，但是進入回熱器的煙氣流量在增加，使回熱器的損系數(shù)也增大。

4 結論

(3)兩級調(diào)峰方案通過減小回熱器關閉度來提高預熱空氣溫度，降低了燃燒室中的不可逆損失，同時減小了煙氣余熱利用的換熱溫差，減少了溫差不可逆損失，以此來減小系統(tǒng)損系數(shù)，故通過減小年均回熱器關閉度可以有效減少兩級調(diào)峰系統(tǒng)的損失。